高中物理：第17章《波粒二象性》課件(新人教版 選修35)

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1、高中物理新人教版選修- 5系列課件第十七章波粒二象性17.1能量量子化：物理學的新紀元教學目標教學目標 1、知識與技能：、知識與技能：（1）了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射 （2）了解黑體輻射的實驗規(guī)律，了解黑體熱輻射的強度與波長的關系（3）了解能量子的概念 2、過程與方法：、過程與方法： 了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。體會量子論的建立深化了人們對于物質世界的認識。 3、情感態(tài)度與價值觀：、情感態(tài)度與價值觀： 領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點難點重點難點】 1

2、、重點、重點: 能量子的概念 2、難點、難點: 黑體輻射的實驗規(guī)律17世紀明確形成了兩大對立學說牛頓牛頓惠更斯惠更斯微粒說波動說19世紀初證明了波動說的正確性由于波動說沒有數(shù)學基礎以及牛頓的威望使得微粒說一直占上風19世紀末光電效應現(xiàn)象使得愛因斯坦在20世紀初提出了光子說：光具有粒子性對光學的研究從很早就開始了 能量量子化；物理學的新紀元能量量子化；物理學的新紀元1、黑體與黑體輻射、黑體與黑體輻射熱輻射熱輻射 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為

3、激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射熱輻射。所輻射電。所輻射電磁波的特征與磁波的特征與溫度溫度有關。有關。固體在溫度升高時顏色的變固體在溫度升高時顏色的變化化1400K800K1000K1200K 能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反能全部吸收各種波長的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為射，折射和透射的物體稱為絕對黑體絕對黑體。簡稱黑。簡稱黑體體 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作作黑體黑體。黑體模型黑體模型 研究黑體輻射的研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質的基礎。熱輻射性質的基礎。2. 2. 黑體輻射實驗規(guī)律黑體輻

4、射實驗規(guī)律實驗裝置實驗裝置T平行光管平行光管三棱鏡三棱鏡T0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 實驗結果實驗結果o實驗值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災災難難普普朗朗克克線線123456783.3.能量子能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn)超越牛頓的發(fā)現(xiàn)=h輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學所狀態(tài)中，諧振子的

5、能量并不象經(jīng)典物理學所允許的可具有任意值。相應的能量是某一最允許的可具有任意值。相應的能量是某一最小能量小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：, 1 , 2 , 3 , . n . n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。量子數(shù)。能量能量量子量子經(jīng)典經(jīng)典h=6.626*10-34J.s(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克實驗值實驗值),(0Te 17.2科學的轉折：光的粒子性教學目標教學目標 知識與技能：知識與技能： 1通過實驗了解光電效應的實驗規(guī)律。2知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。3了解康普頓效應，了解光子的動量過程與方法：過程與方法： 經(jīng)歷科學探究過程

6、，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價值觀：、情感態(tài)度與價值觀： 領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點難點重點難點】 1、重點：、重點：光電效應的實驗規(guī)律 2、難點：、難點：愛因斯坦光電效應方程以及意義物理難題：物理難題：1888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)一充負電的金屬板被紫外光照射會放電一充負電的金屬板被紫外光照射會放電。近近10年以后，因為年以后，因為1897年年，J.Thomson才才發(fā)現(xiàn)電子發(fā)現(xiàn)電子 ，此時，此時，人們認識到那就是從金人們認

7、識到那就是從金屬表面射出的電子，后來，這些電子被稱屬表面射出的電子，后來，這些電子被稱作光電子作光電子(photoelectron)，相應的效應叫做相應的效應叫做光電效應光電效應。人們本著對光的完美理論（光。人們本著對光的完美理論（光的波動性、電磁理論）進行解釋會出現(xiàn)什的波動性、電磁理論）進行解釋會出現(xiàn)什么結果？么結果？ 第1課時光電效應 光子問題問題1：回顧前面的學習，總結回顧前面的學習，總結人類對光的本性的認識的發(fā)展人類對光的本性的認識的發(fā)展過程？過程？用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導線與不帶電的驗電器相連），使驗電 器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則

8、驗電器的指針張角會變大。一、光電效應現(xiàn)象一、光電效應現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電定義：定義：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應。發(fā)射出來的電子叫做光電子1.1.什么是光電效應什么是光電效應 當光線照射在金屬表面時，金屬當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應。中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應。逸出的電子稱為光電子逸出的電子稱為光電子。AKGV陽陽極極陰陰極極W石英窗石英窗 光線經(jīng)石英窗照在陰極上，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出便有電子逸出-光電子光電子。光電子在電場作用下形成光電流。光電子在電場作用下形成光電流。2.2.光電效應

9、的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律1. 1. 光電效應實驗光電效應實驗AKGV陽陽極極陰陰極極 將換向開關反接，電場反向，將換向開關反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。場阻礙作用。 當當 K K、A A 間加反向電壓，光間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達電子克服電場力作功，當電壓達到某一值到某一值 U Uc c 時，光電流恰為時，光電流恰為0 0。 U Uc c稱稱遏止電壓遏止電壓。221cevmceU遏止電壓遏止電壓IUcOU光光 強強 較較 弱弱光電效應伏安特性曲線光電效應伏安特性曲線光電效應實驗裝置光電效應實驗裝置遏遏止止電電壓壓 一、

10、光電效應的實驗規(guī)律一、光電效應的實驗規(guī)律AKGV陽陽極極陰陰極極IIsUaOU光光 強強 較較 強強光光 強強 較較 弱弱光電效應伏安特性曲線光電效應伏安特性曲線光電效應實驗裝置光電效應實驗裝置遏遏止止電電壓壓飽飽和和電電流流 一、光電效應的實驗規(guī)律一、光電效應的實驗規(guī)律AKGV陽陽極極陰陰極極AGVK陽陽極極陰陰極極W石英石英窗窗2. 2. 光電效應實驗規(guī)律光電效應實驗規(guī)律. .光電流與光強的關系光電流與光強的關系飽和光電流強度與入射光強度成正比。飽和光電流強度與入射光強度成正比。. .截止頻率截止頻率c -極限頻率極限頻率對于每種金屬材料，都相應的有一確對于每種金屬材料，都相應的有一確定的

11、截止頻率定的截止頻率c 。 當入射光頻率當入射光頻率 c 時，電子才能逸時，電子才能逸出金屬表面；出金屬表面；當入射光頻率當入射光頻率 c時，無論光強多大也無電子逸出金時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。屬表面。光電效應是瞬時的。從光開始照射到光電逸出所需光電效應是瞬時的。從光開始照射到光電逸出所需時間時間 10-9s。經(jīng)典理論無法解釋光電效應的實驗結果經(jīng)典理論無法解釋光電效應的實驗結果。 經(jīng)典認為，經(jīng)典認為，按照經(jīng)典電磁理論，入按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，力也

12、就越大，光電子逸出的能量也應光電子逸出的能量也應該越大。也就是說，光電子的能量應該越大。也就是說，光電子的能量應該隨著光強度的增加而增大，不應該該隨著光強度的增加而增大，不應該與入射光的頻率有關，更不應該有什與入射光的頻率有關，更不應該有什么截止頻率么截止頻率。 光電效應實驗表明：飽和電流不僅與光光電效應實驗表明：飽和電流不僅與光強有關而且與頻率有關，光電子初動能也強有關而且與頻率有關，光電子初動能也與頻率有關。只要頻率高于極限頻率，即與頻率有關。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。率時，無論光強再大也

13、沒有光電流。 光電效應具有瞬時性。而光電效應具有瞬時性。而經(jīng)典認為光能量經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。積累過程。 為了解釋光電效應，為了解釋光電效應，愛因斯坦在能量愛因斯坦在能量子假說的基礎上提出光子理論子假說的基礎上提出光子理論，提出了光，提出了光量子假設。量子假設。3.3.愛因斯坦的光量子假設愛因斯坦的光量子假設1.1.內容內容 光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為h的微粒形式出的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為頻率為 的的光是由大量

14、能量為光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流，這光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。運動。0WEhk 在光電效應中金屬中的電子吸收了光子的能量，一在光電效應中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊?，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽艿膭幽?Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：2.2.愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； 221vmEek0W為光電子的最大初動能。為光電子的最大初動能。 3.

15、3. 從方程可以看出光電子初動能和照射從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系光的頻率成線性關系 4.4.從光電效應方程中，當初動能為零時，從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極極限頻率：可得極極限頻率： 愛因斯坦對光電效應的解釋：愛因斯坦對光電效應的解釋： 1. 1. 光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。多，所以光電流也大。 2. 2. 電子只要吸收一個光子就可以從金屬電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。表面逸出，所以不需時間的累積。 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電由于愛因斯坦提出的光子假說成功

16、地說明了光電效應的實驗規(guī)律效應的實驗規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎。 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。波動理論。4.4.光電效應理論的驗證光電效應理論的驗證 美國物理學家密立根，花了十年時間做了美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效光電效應應”實驗，結果在實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，年證實了愛因斯坦方程，h 的的值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量

17、子”理論理論的正確。的正確。愛因斯坦由于愛因斯坦由于對對光電效光電效應應的理論解釋和對的理論解釋和對理論理論物理學物理學的貢獻的貢獻獲得獲得1921年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎密立根由于密立根由于研究基本電荷和研究基本電荷和光電效應光電效應，特別是通過著名，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最的油滴實驗，證明電荷有最小單位。小單位。獲得獲得19231923年諾貝年諾貝爾物理學獎爾物理學獎。放大器放大器控制機構控制機構 可以用于自動控可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。報警、自動跟蹤等。4.4.光電效應在近代技術中的應用光電效應在近代技術中的應用1.1.光控

18、繼電器光控繼電器K1K2K3K4K5KA可對微弱光線進行放可對微弱光線進行放大，可使光電流放大大，可使光電流放大105 108 倍，靈敏度倍，靈敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、軍事等方面?？蒲?、軍事等方面。2.2.光電倍增管光電倍增管應 用光電管光電源電流計IAK第2課時康普頓效應1.光的散射光的散射光在介質中與物質微粒相互作用光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳因而傳播方向發(fā)生改變播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.2.康普頓效應康普頓效應 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物射線通過物質散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有質散射的實驗

19、時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角變量與散射角有關，而與入射線波長有關，而與入射線波長 和散射物質都無關和散射物質都無關。一一. .康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質散射物質)j 0散射波長散射波長 康普頓正在測晶體康普頓正在測晶體對對X 射線的散射射線的散射 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是某光是某 種波長的電磁波，種波長的電磁波，

20、散射光的波長是散射光的波長是 不會改變的！不會改變的！康普頓散射曲線的特點：康普頓散射曲線的特點： 1.除原波長除原波長 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長長波方向的新的散射波長 。 2.新波長新波長 隨散射角的增大隨散射角的增大而增大。而增大。 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，稱的現(xiàn)象，稱為為康普頓散射?？灯疹D散射。波長的偏移為波長的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長波長. . 0 稱為電子的稱為電子的Compton波長波長)cos1 (j j c只有當入射波長只有當入射波長 0與與 c可比

21、擬時，康普頓效應才顯可比擬時，康普頓效應才顯著，著，因此要用因此要用X射線才能觀察到射線才能觀察到康普頓散射，用可康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。見光觀察不到康普頓散射。波長的偏移只與散射角波長的偏移只與散射角j j 有關，有關，而與散射物質而與散射物質種類及入射的種類及入射的X X射線的波長射線的波長 0 0 無關，無關，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實驗值）（實驗值）遇到的困難遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時2. 2. 無法解釋波長改變和散射角的關系。無法解釋波長改變和散射角的關系。射光頻率應等于入射光頻率。射光頻率應等于入

22、射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，1. 1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通光子理論對康普頓效應的解釋光子理論對康普頓效應的解釋 康普頓效應是光子和電子作彈性碰撞的康普頓效應是光子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長不變。子能量幾乎不變，波長不變。小于原子質量，根據(jù)碰撞理論，小于原子質量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光碰撞前后光光子將與整個原子交換能量光子將與整個原子交換能量,由于光子質量遠由于光子質量遠2. 若光子和束縛很緊的內層電子相碰

23、撞，若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，是散射光的波長大于入射光的波長。是散射光的波長大于入射光的波長。 部分能量傳給電子部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于散射光子的能量減少，于1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一若光子和外層電子相碰撞，光子有一結果，具體解釋如下：結果，具體解釋如下： 3. 因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。有關，所以波長改變和散射角有關。光子理論對康普頓效應的解釋光子理論對康普頓效應的解釋三三. .康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義（1 1）有力地支持了愛因斯坦）有力地支持了愛因斯坦“光量子光量子”假

24、設；假設； （2 2）首次在實驗上證實了）首次在實驗上證實了“光子具有動量光子具有動量” 的假設；的假設；（3 3）證實了）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，在微觀世界的單個碰撞事件中， 動量和能量守恒定律仍然是成立的。動量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒?？紤]能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。康普頓于康普頓于1927

25、1927年獲諾貝爾物理獎。年獲諾貝爾物理獎?？悼灯掌疹D頓效效應應康康普普頓頓效效應應康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎年獲諾貝爾物理學獎(1892-1962)美國物理學家美國物理學家192719251926年，吳有訓用銀的年，吳有訓用銀的X射線射線( 0 =5.62nm) 為入射線為入射線, 以以15種輕重不同的元素為散射物質，種輕重不同的元素為散射物質，四、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻四、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作.對證實康普頓效應作出了對證實康普頓效應作出了重要貢獻。重要貢獻。在同一散射角在同一散射角( )測

26、量測量各種波長的散射光強度，作各種波長的散射光強度，作了大量了大量 X 射線散射實驗。射線散射實驗。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓吳有訓光子的能量和動量光子的能量和動量2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動量能量是描述粒子的動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的頻率和波長則是用來描述波的17.3嶄新的一頁：粒子的波動性教學目標教學目標 1、知識與技能：、知識與技能： 了解光的波粒二象性；了解粒子的波動性2、過程與方法：、過程與方法： 培養(yǎng)學生的觀察、分析能力。3、情感態(tài)度與價值觀：、情感態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，正確地

27、獲取知識的方法?！局攸c難點重點難點】 1、重點：、重點：粒子波動性的理解 2、難點：、難點：對德布羅意波的實驗驗證 德布羅意波德布羅意波 波粒二象性波粒二象性1、德布羅意波（物質波）、德布羅意波（物質波） De . Broglie 1923年發(fā)表了題為年發(fā)表了題為“波和粒子波和粒子”的的論文，提出了物質波的概念。論文，提出了物質波的概念。 他認為，他認為，“整個世紀以來（指整個世紀以來（指19世紀）在光學中比世紀）在光學中比起波動的研究方法來，如果說是過于忽視了粒子的研究起波動的研究方法來，如果說是過于忽視了粒子的研究方法的話，那末在實物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯方法的話，那末在實物的理論中

28、，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略了波的圖象呢了波的圖象呢” 一、德布羅意的物質波一、德布羅意的物質波德布羅意德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960) 德布羅意原來學習歷史，后來改學德布羅意原來學習歷史，后來改學理論物理學。他善于用歷史的觀點，用理論物理學。他善于用歷史的觀點，用對比的方法分析問題。對比的方法分析問題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和年，德布羅意試圖把粒子性和波動性統(tǒng)一起來。波動性統(tǒng)一起來。1924年，在博士論文年，在博士論文關于量子理論的研究關于量子理論的研究中提出德

29、布羅中提出德布羅意波意波,同時提出用電子在晶體上作衍射實同時提出用電子在晶體上作衍射實驗的想法。驗的想法。 愛因斯坦覺察到德布羅意物質波思愛因斯坦覺察到德布羅意物質波思想的重大意義，譽之為想的重大意義，譽之為“揭開一幅大幕揭開一幅大幕的一角的一角”。法國物理學家，法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎獲年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創(chuàng)得者，波動力學的創(chuàng)始人，量子力學的奠始人，量子力學的奠基人之一。基人之一。 能量為能量為E、動量為、動量為p的粒子與頻率為的粒子與頻率為v、波長為、波長為 的的波相聯(lián)系，并遵從以下關系：波相聯(lián)系，并遵從以下關系：E=mc2=hv hmvp 這種和實物粒子相聯(lián)系

30、的波稱為德布羅意波這種和實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物物質波或概率波質波或概率波),其波長其波長 稱為德布羅意波長。稱為德布羅意波長。一切實物粒子都有波動性一切實物粒子都有波動性 后來，大量實驗都證實了：質子、中子和原子、分子等實物微觀粒子都具有波動性，并都滿足德布洛意關系。一顆子彈、一個足球有沒有波動性呢？ 質量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長為 計算結果表明，子彈的波長小到實驗難以測量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去，得出物質波（德布羅意波）的概念：任何一個運動著的物體都有一種波

31、與它對應，該波的波長= 。 ph/【例1】試估算一個中學生在跑百米時的德布羅意波的波長。 解：估計一個中學生的質量m50kg ，百米跑時速度v7m/s ，則由計算結果看出，宏觀物體的物質波波長非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動性。mmph3634109 . 17501063. 6 例題例題2 (1)電電子動能子動能Ek=100eV；(2)子彈動量子彈動量p=6.63106kg.m.s-1, 求德布羅意波長。求德布羅意波長。 解解 (1)因電因電子動能較小，速度較小，可用非相對子動能較小，速度較小，可用非相對論公式求解。論公式求解。2410452 .mEmpk61093. 5phmh =1.23(2)

32、子彈子彈:ph h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見，只有微觀粒子的波動性較顯著；而宏觀可見，只有微觀粒子的波動性較顯著；而宏觀粒子粒子(如子彈如子彈)的波動性根本測不出來。的波動性根本測不出來。,22122mpmEk 一個質量為一個質量為m的實物粒子以速率的實物粒子以速率v 運動時，即具有以能運動時，即具有以能量量E和動量和動量P所描述的粒子性，同時也具有以頻率所描述的粒子性，同時也具有以頻率 和波長和波長 所描述的波動性所描述的波動性。hEPh德布羅意關系德布羅意關系如速度如速度v=5.0 102m/s飛行的子飛行的子彈，質量為彈，質量為m=10-2Kg，對應的對應的德布羅

33、意波長為：德布羅意波長為：nmmvh25103 . 1 如電子如電子m=9.1 10-31Kg，速，速度度v=5.0 107m/s, 對應的德對應的德布羅意波長為：布羅意波長為：nmmvh2104 . 1 太小測不到！太小測不到！X射線射線波段波段2、戴維遜革末實驗、戴維遜革末實驗 1927年，年，Davisson和和Germer 進行了電子衍射實驗。進行了電子衍射實驗。 （該實驗榮獲（該實驗榮獲19371937年年Nobel Nobel 物理學獎）物理學獎）戴維遜戴維遜-革末實驗革末實驗電子衍射實驗電子衍射實驗 電子束垂直入射電子束垂直入射到鎳單晶的水平面上，到鎳單晶的水平面上，在在 散射方

34、向散射方向上探測到一個強度極上探測到一個強度極大。大。 （可用晶體（可用晶體對對X射線的衍射方法射線的衍射方法來分析）來分析） 50vL.V.L.V.德布羅意德布羅意 v電子波動性的理論電子波動性的理論研究研究1929諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎vC.J.戴維孫戴維孫 v通過實驗發(fā)現(xiàn)晶體通過實驗發(fā)現(xiàn)晶體對電子的衍射作用對電子的衍射作用1937諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎X射線經(jīng)晶體的衍射圖射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖類似的實驗： 19271927年，年，湯姆遜電子衍射實驗湯姆遜電子衍射實驗 19601960年，年，C.JonsonC.Jonson的的電子雙縫干

35、涉實驗電子雙縫干涉實驗 后來的實驗證明原子、分子、中子等微觀粒子也后來的實驗證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動性。具有波動性。 德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，一性的基本公式，1929年，年，De Broglie因發(fā)現(xiàn)因發(fā)現(xiàn)電子波電子波而而榮獲榮獲Nobel 物理學獎。物理學獎。電子顯微鏡電子顯微鏡17.4概率波教學目標教學目標 （一）知識與技能（一）知識與技能 1了解微粒說的基本觀點及對光學現(xiàn)象的解釋和所遇到的問題 2了解波動說的基本觀點及對光學現(xiàn)象的解釋和所遇到的問題 3了解事物的連續(xù)性與分立性是相對的，了解光既有波

36、動性，又有粒子性 4了解光是一種概率波 （二）過程與方法（二）過程與方法 1領悟什么是概率波 2了解物理學中物理模型的特點初步掌握科學抽象這種研究方法 3通過數(shù)形結合的學習，認識數(shù)學工具在物理科學中的作用 （三）情感、態(tài)度與價值觀（三）情感、態(tài)度與價值觀 理解人類對光的本性的認識和研究經(jīng)歷了一個十分漫長的過程，這一過程也是辯證發(fā)展的過程根據(jù)事實建立學說，發(fā)展學說，或是決定學說的取舍，發(fā)現(xiàn)新的事實，再建立新的學說人類就是這樣通過光的行為，經(jīng)過分析和研究，逐漸認識光的本性的 【重點難點】 1、重點：人類對光的本性的認識的發(fā)展過程 2、難點：對量子化、波粒二象性、概率波等概念的理解 電子雙縫衍射電子

37、雙縫衍射 1) 用足夠強的電子束進行雙縫衍射用足夠強的電子束進行雙縫衍射 出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動性出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動性 衍射條紋掩飾了電子的粒子性衍射條紋掩飾了電子的粒子性 未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質 得到的結果與光的雙縫衍射結果一樣得到的結果與光的雙縫衍射結果一樣 物質波不是經(jīng)典波物質波不是經(jīng)典波 經(jīng)典的波是介質中質元共同振動的形成的經(jīng)典的波是介質中質元共同振動的形成的 雙縫衍射中體現(xiàn)為無論電子強度多么弱雙縫衍射中體現(xiàn)為無論電子強度多么弱 屏幕上出現(xiàn)的是強弱連續(xù)分布的衍射條紋屏幕上出現(xiàn)的是強弱連續(xù)分布的衍射條紋 實

38、際上在電子強度弱的情形中實際上在電子強度弱的情形中 電子在屏幕上的分布是隨機的，完全不確定的電子在屏幕上的分布是隨機的，完全不確定的 微觀粒子不是經(jīng)典粒子微觀粒子不是經(jīng)典粒子 經(jīng)典粒子雙縫衍射經(jīng)典粒子雙縫衍射 子彈可以看作是經(jīng)典粒子子彈可以看作是經(jīng)典粒子 假想用機關槍掃射雙縫假想用機關槍掃射雙縫A和和B，屏幕，屏幕C收集子彈數(shù)目收集子彈數(shù)目1) 將狹縫將狹縫B擋住擋住 子彈通過子彈通過A在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大類似于單縫衍射的中央主極大P1 子彈落在中央主極大范圍的概率分布子彈落在中央主極大范圍的概率分布2) 將狹縫將狹縫A 擋住擋住 子彈通過狹縫

39、子彈通過狹縫B在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大類似于單縫衍射的中央主極大P2 子彈落在中央主極大范圍的概率分布子彈落在中央主極大范圍的概率分布12PPP3) A和和B狹縫同時打開狹縫同時打開 子彈是經(jīng)典粒子子彈是經(jīng)典粒子 原來通過原來通過A狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過還是通過A 原來通過原來通過B狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過還是通過B屏幕屏幕C上子彈的概率分布上子彈的概率分布不因兩個狹縫同時打開不因兩個狹縫同時打開每顆子彈會有新的選擇！每顆子彈會有新的選擇！ 電子雙縫衍射電子雙縫衍射 電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕P上觀察電子數(shù)目

40、上觀察電子數(shù)目1) 將狹縫將狹縫B擋住擋住 電子通過狹縫電子通過狹縫A 在屏幕在屏幕C有一定分布有一定分布 類似于單縫衍射類似于單縫衍射 的中央主極大的中央主極大10/173）A和和B狹縫同時打開狹縫同時打開 如果電子是經(jīng)典粒子如果電子是經(jīng)典粒子 原來通過原來通過A狹縫的電子狹縫的電子 還是通過還是通過A 原來通過原來通過B狹縫的電子狹縫的電子 還是通過還是通過B屏幕上電子的概率分布屏幕上電子的概率分布12PPP12PPP屏幕屏幕C 實際觀察到類似光的雙縫衍射條紋實際觀察到類似光的雙縫衍射條紋屏幕屏幕C上電子的概率分布上電子的概率分布 只開一個狹縫和同時開兩個狹縫只開一個狹縫和同時開兩個狹縫

41、電子運動的方向具有隨機性電子運動的方向具有隨機性 A和和B狹縫同時開時狹縫同時開時 電子似乎電子似乎“知道知道” 兩個狹縫都打開！兩個狹縫都打開！ 雙縫和屏幕之間 到底發(fā)生了什么？屏幕上電子的分布屏幕上電子的分布 有了新的概率分布有了新的概率分布電子電子 不是經(jīng)典粒子不是經(jīng)典粒子 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定I 大大 光子出現(xiàn)概率大光子出現(xiàn)概率大I小小 光子出現(xiàn)概率小光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于統(tǒng)一于概率波概率波理論理論單縫衍射單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比方成正比17.5不確定的關系教學目標

42、教學目標 （一）知識與技能（一）知識與技能 1了解不確定關系的概念和相關計算 2了解物理模型與物理現(xiàn)象 （二）過程與方法（二）過程與方法 經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。 （三）情感、態(tài)度與價值觀（三）情感、態(tài)度與價值觀 能領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點難點重點難點】 1、重點：、重點：不確定關系的概念 2、難點：、難點：對不確定關系的定量應用 玻 恩玻 恩 ( M . B o r n . 1882-1970)德國物理德國物理 學學家。家。1926年提出波

43、函數(shù)年提出波函數(shù)的統(tǒng)計意義。為此與博的統(tǒng)計意義。為此與博波波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享共享1954年諾貝爾年諾貝爾物理學獎。物理學獎。玻 恩M. Born. 一、德布羅意波的統(tǒng)計解釋一、德布羅意波的統(tǒng)計解釋 1926年，德國物理學玻恩年，德國物理學玻恩 (Born , 1882-1972) 提出了概率波，認為提出了概率波，認為個別微觀粒子個別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一在何處出現(xiàn)有一定的定的偶然性偶然性，但是，但是大量粒子大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律一定的統(tǒng)計規(guī)律。 二二. .經(jīng)典波動與德布羅意波經(jīng)典波動與德布羅意波(

44、(物質波物質波) )的區(qū)別的區(qū)別 經(jīng)典的波動經(jīng)典的波動(如機械波、電磁波等如機械波、電磁波等)是可以測出是可以測出的、實際存在于空間的一種波動。的、實際存在于空間的一種波動。 而德布羅意波而德布羅意波(物質波物質波)是一種概率波。簡單的是一種概率波。簡單的說，是為了描述微觀粒子的波動性而引入的一種方說，是為了描述微觀粒子的波動性而引入的一種方法。法。不確定度關系不確定度關系（UNCERTAINTY RELATOIN) 經(jīng)典力學：經(jīng)典力學：運動物體有完全確定的位置、動量、能量等。運動物體有完全確定的位置、動量、能量等。 微觀粒子：微觀粒子：位置、動量等具有不確定量（概率）。位置、動量等具有不確定

45、量（概率）。、電子衍射中的不確定度、電子衍射中的不確定度 一束電子以速度一束電子以速度 v 沿沿 oy 軸射向狹縫軸射向狹縫。 電子在中央主極大區(qū)電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。域出現(xiàn)的幾率最大。aoxy 在經(jīng)典力學中，粒子（質點）的運動狀態(tài)用位置坐標和動量來描述，而且這兩個量都 可以同時準確地予以測定。然而，對于具有二象性的微觀粒子來說，是否也能用確定的坐標和確定的動量來描述呢？下面我們以電子通過單縫衍射為例來進行討論。設有一束電子沿設有一束電子沿 軸射向屏軸射向屏ABAB上縫寬為上縫寬為 的狹縫，于的狹縫，于是，在照相底片是，在照相底片CDCD上，可以觀察到如下圖所示的衍射上，可以觀察

46、到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們仍用坐標圖樣。如果我們仍用坐標 和動量和動量 來描述這一電子來描述這一電子的運動狀態(tài)，那么，我們不禁要問：一個電子通過狹的運動狀態(tài)，那么，我們不禁要問：一個電子通過狹縫的瞬時，它是從縫上哪一點通過的呢縫的瞬時，它是從縫上哪一點通過的呢? ?也就是說，電也就是說，電子通過狹縫的瞬時，其坐標子通過狹縫的瞬時，其坐標 為多少為多少? ?顯然，這一問題，顯然，這一問題，我們無法準確地回答，因為此時該電子究竟在縫上哪我們無法準確地回答，因為此時該電子究竟在縫上哪一點通過是無法確定的，即我們不能準確地確定該電一點通過是無法確定的，即我們不能準確地確定該電子通過狹縫時的坐標。

47、子通過狹縫時的坐標。Oybxpx對于第一衍射極小，對于第一衍射極小，asin1 式中式中 為為 電子電子的德布羅意波長。的德布羅意波長。 電子通過狹縫的瞬間，其位置在電子通過狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不方向上的不確定量為確定量為p1 aoxyax 電子的位置和動量電子的位置和動量分別用分別用 和和 來表示。來表示。xp 同一時刻，由于衍射效應，粒子的速度方向有了同一時刻，由于衍射效應，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動量的分量改變，縫越小，動量的分量 Px變化越大。變化越大。p1 aoxy4hpxx分析計算可得分析計算可得:許多相同粒子在相同條件下實驗許多相同粒子在相同條件下實驗,粒子

48、在同一時刻粒子在同一時刻并不處在同一位置。并不處在同一位置。用單個粒子重復用單個粒子重復,粒子也不在同一位置出現(xiàn)。粒子也不在同一位置出現(xiàn)。動量不確定度位置不確定度zyxpppzyx, 不確定性關系不確定性關系(19011976)德國物理學家德國物理學家,量子力學矩陣形式的創(chuàng)建人量子力學矩陣形式的創(chuàng)建人, 1932年獲諾貝爾物理學獎。年獲諾貝爾物理學獎。經(jīng)嚴格證明應為：經(jīng)嚴格證明應為：2 xpx 這就是著名的海森伯測不準關系式這就是著名的海森伯測不準關系式2 ypy 2 zpz 2h（約化普朗克常量）（約化普朗克常量） 能量與時間的不確定關系：能量與時間的不確定關系：2tE 原子在激發(fā)態(tài)的平均壽

49、命原子在激發(fā)態(tài)的平均壽命 相應地所相應地所處能級的能量值一定有一不確定量。處能級的能量值一定有一不確定量。s10t8 ev10t2E8 稱為激發(fā)態(tài)的稱為激發(fā)態(tài)的能級寬度。能級寬度。 我們知道，原子核的數(shù)量級為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的?？梢娮訌椀膭恿亢臀恢枚寄芫_地確定，不確定關系對宏觀物體來說沒有實際意義。 11smkg0 . 2smkg20001. 0 mvp1414smkg100 . 2smkg2100 . 1%01. 0pp例例1.1.一顆質量為一顆質量為10g 10g 的子彈，具有的子彈，具有200m200ms s-1-1的速率，的速率，若其動量的不確定范圍

50、為動量的若其動量的不確定范圍為動量的0. 01%(0. 01%(這在宏觀范圍這在宏觀范圍是十分精確的了是十分精確的了) )，則該子彈位置的不確定量范圍為多，則該子彈位置的不確定量范圍為多大大? ?解: 子彈的動量動量的不確定范圍由不確定關系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍mmphx31434106.2100.214.341063.64我們知道原子大小的數(shù)量級為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見企圖精確地確定電子的位置和動量已是沒有實際意義。 128131smkg108 . 1smkg200101 . 9 mvp1321284smk

51、g0 . 18 . 1 smkg0 . 18 . 1100 . 1%01. 0pp例例2 2 . . 一電子具有一電子具有200 m/s200 m/s的速率，動量的不確定的速率，動量的不確定范圍為動量的范圍為動量的0. 01%(0. 01%(這已經(jīng)足夠精確了這已經(jīng)足夠精確了) )，則該電子，則該電子的位置不確定范圍有多大的位置不確定范圍有多大? ?解 : 電子的動量為動量的不確定范圍由不確定關系式，得電子位置的不確定范圍mmphx33234109.2108.114.341063.64 宏觀物體宏觀物體 微觀粒子微觀粒子具有確定的坐標和動量具有確定的坐標和動量 沒有確定的坐標和動量沒有確定的坐標

52、和動量可用牛頓力學描述?？捎门ｎD力學描述。 需用量子力學描述。需用量子力學描述。 有連續(xù)可測的運動軌道，可有連續(xù)可測的運動軌道，可 有概率分布特性，不可能分辨有概率分布特性，不可能分辨 追蹤各個物體的運動軌跡。追蹤各個物體的運動軌跡。 出各個粒子的軌跡。出各個粒子的軌跡。體系能量可以為任意的、連體系能量可以為任意的、連 能量量子化能量量子化 。續(xù)變化的數(shù)值。續(xù)變化的數(shù)值。不確定度關系無實際意義不確定度關系無實際意義 遵循不確定度關系遵循不確定度關系微觀粒子和宏觀物體的特性對比微觀粒子和宏觀物體的特性對比不確定關系的物理意義和微觀本質不確定關系的物理意義和微觀本質1. 物理意義：物理意義： 微觀

53、粒子不可能微觀粒子不可能同時同時具有確定的位置和動量。粒具有確定的位置和動量。粒子子位置的不確定量位置的不確定量 x越小，越小，動量的不確定量動量的不確定量 Px就越就越大，反之亦然。大，反之亦然。2. 微觀本質：微觀本質： 是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計規(guī)律的必然結果。計規(guī)律的必然結果。 不確定關系不確定關系式式表明表明： 微觀粒子的坐標測得愈準確微觀粒子的坐標測得愈準確( x0) ，動量，動量就愈不準確就愈不準確( px) ； 微觀粒子的動量測得愈準確微觀粒子的動量測得愈準確( px0) ，坐標就愈，坐標就愈不準確不準確( x) 。

54、但這里要注意，不確定關系但這里要注意，不確定關系 不是說微觀粒子的坐標測不準；不是說微觀粒子的坐標測不準； 也不是說微觀粒子的動量測不準；也不是說微觀粒子的動量測不準； 更不是說微觀粒子的坐標和動量都測不準；更不是說微觀粒子的坐標和動量都測不準； 而是說微觀粒子的坐標和動量不能而是說微觀粒子的坐標和動量不能同時同時測準。測準。 這是因為微觀粒子的坐標和動量本來就不同時具這是因為微觀粒子的坐標和動量本來就不同時具有確定量。有確定量。 這本質上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。這本質上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。 由上討論可知，不確定關系是自然界的一條客觀由上討論可知，不確定關系是自然界的一條客觀規(guī)律規(guī)律,不是測量技術和主觀能力的問題。不是測量技術和主觀能力的問題。 不確定關系提供了一個判據(jù)：不確定關系提供了一個判據(jù)： 當不確定關系施加的限制可以忽略時，則可以用當不確定關系施加的限制可以忽略時，則可以用經(jīng)典理論來研究粒子的運動。經(jīng)典理論來研究粒子的運動。 當不確定關系施加的限制不可以忽略時，那只能當不確定關系施加的限制不可以忽略時，那只能用量子力學理論來處理問題。用量子力學理論來處理問題。為什么微觀粒子的坐標和動量不能為什么微觀粒子的坐標和動量不能同時同時測準測準?